JP2005268003A - 燃料電池のガス供給系 - Google Patents

Abstract

【課題】 流れの圧損増大を招かずにガス中の異物を除去または捕捉できる燃料電池のガス供給系の提供。
【解決手段】（１）燃料電池のガス供給通路１のガス流れが当たる部位２の通路壁に、該通路壁部位のガス供給通路の通路断面積を狭めないように、不純物除去装置３を設けた燃料電池のガス供給系。（２）ガス流れが当たる部位２の通路壁が、ガス供給通路の直角折り曲がり部の流れ対向壁である。（３）ガス流れが当たる部位２の通路壁が、ガス供給通路の曲がり部の曲がりの外側壁である。（４）ガス流れが当たる部位２の通路壁が、２スタックへの分流部の流れ対向壁である。（５）ガス流れが当たる部位２の通路壁が、スタックの入り側ガスマニホールドの端部の流れ対向壁である。（６）不純物除去装置の設置部位に異物の流出を抑制する傾斜壁５を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池のガス供給系（装置）に関する。

燃料電池、とくに固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

燃料電池に供給される燃料ガス、酸化ガスに異物が混入すると、異物がセルのガス流路を閉塞して発電に支障をきたしたり、電解質膜を損傷して燃料ガスと酸化ガスとの混合を招いたりするおそれがある。
それを防止するために、特開平９−４５３５８号公報は、スタックのガスマニホールド内に流れに対向させて異物捕捉部材を配置したガス供給系を開示している。また、従来、ガス流れ中にフィルタを配置し、ガスをフィルタを通して流すことにより、ガス中の異物を捕捉する方法もある。

しかし、ガスマニホールド内に異物捕捉部材を配置すると流路断面積が減少し、流路抵抗が増えて圧損増大を招き、その分がコンプレッサーの使用電力の上昇を招き、燃料電池で発電した電力の一部を消費してしまう。また、ガスをフィルタを通して流してガス中の異物を捕捉する方法でも、フィルタが圧損増大を招き、コンプレッサーの使用電力を上昇させ、燃料電池で発電した発電の一部を消費してしまう。
特開平９−４５３５８号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の異物捕捉部材が何れも圧損増大を招いて燃料電池の発電電力を一部消費してしまうという問題である。
本発明の目的は、流れの圧損増大を招かずにガス中の異物を除去または捕捉できる燃料電池のガス供給系（装置）を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１） 燃料電池のガス供給通路のガス流れが当たる部位の通路壁に、該通路壁部位のガス供給通路の通路断面積を狭めないように、不純物除去装置を設けた燃料電池のガス供給系。
（２） 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、ガス供給通路の直角折り曲がり部の流れ対向壁である（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（３） 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、ガス供給通路の曲がり部の曲がりの外側壁である（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（４） 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、２スタックへの分流部の流れ対向壁である（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（５） 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、スタックの入り側ガスマニホールドの端部の流れ対向壁である（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（６） 前記不純物除去装置が多孔質材料からなる異物除去フィルタからなる（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（７） 前記不純物除去装置がガス中の不純物を捕捉する液面を有する装置からなる（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（８） 前記不純物除去装置が磁石からなる（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（９） 前記不純物除去装置がイオン交換樹脂からなる（１）記載の燃料電池のガス供給系。
（１０） 前記不純物除去装置の設置部位に異物の流出を抑制する傾斜壁を設けた（１）記載の燃料電池のガス供給系。

上記（１）の燃料電池のガス供給系によれば、不純物除去装置がガス供給通路の通路断面積を狭めない（たとえば、ガス供給通路内に突出したり、ガス供給通路内に配置されたりしない）ので、流れの圧損増大を招かずに、ガス（燃料ガスでも酸化ガスでもよい）中の異物を除去または捕捉できる。
上記（２）〜（５）の燃料電池のガス供給系は、「ガス流れが当たる部位の通路壁」の例を挙げている。（２）〜（５）の何れの通路壁も、ガスの流れがよく当たり、ガス中の異物を除去するのに適している。
上記（６）〜（９）の燃料電池のガス供給系は、「不純物除去装置」の例を挙げている。（６）〜（９）の何れの不純物除去装置は、それぞれの特性に応じて効果的にガス中の異物、不純物を除去することができる。
上記（１０）の燃料電池のガス供給系によれば、不純物除去装置の設置部位に異物の流出を抑制する傾斜壁を設けたので、不純物除去装置に捕捉された不純物の不純物除去装置からガス供給通路側への戻り（逆流）を抑制することができる。

以下に、本発明の燃料電池のガス供給系を図１〜図１０を参照して説明する。ただし、図１０は比較例で、本発明に含まれない。
本発明のガス供給系が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

図７、図８に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。

セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。

スタック２３には、セル積層方向に延びる、入側の燃料ガスマニホールド３０、出側の燃料ガスマニホールド３３、入側の酸化ガスマニホールド３１、出側の酸化ガスマニホールド３４、入側の冷媒マニホールド２９、出側の冷媒マニホールド３２が形成される。
燃料ガスは入側の燃料ガスマニホールド３０からセルの燃料ガス流路２７に流れて一部消費され、消費されなかった燃料ガスは燃料ガス流路２７から出側の燃料ガスマニホールド３３へと流れる。
酸化ガスは入側の酸化ガスマニホールド３１からセルの酸化ガス流路２８に流れて一部消費され、消費されなかった酸化ガスは酸化ガス流路２８から出側の酸化ガスマニホールド３４へと流れる。
冷媒（冷却水）は入側の冷媒マニホールド２９からセルの冷媒流路２６に流れ、冷媒流路２６から出側の冷媒マニホールド３２へと流れる。

図９は燃料電池のガス系（ガス供給系、ガス排出系、ガス循環系を含む）の概略を示す。図９に示すように、燃料ガスは、燃料ガス源４２（たとえば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンク、等）から入側の燃料ガス配管３６を通して入側の燃料ガスマニホールド３０に供給され、出側の燃料ガスマニホールド３３から出側の燃料ガス配管３９に流れ、大部分が燃料ガス循環配管４１、循環ポンプ４３を介して入側の燃料ガス配管３６に循環され、残りは出側の燃料ガス配管３９からコンバスタ４７を通して大気に排出される。
酸化ガスは、コンプレッサ４４により大気から取り入れられ、エアクリーナ４５、加湿器４６等が設けられた、入側の酸化ガス配管３７を通して入側の燃料ガスマニホールド３１に供給され、出側の燃料ガスマニホールド３４から出側の酸化ガス配管４０に流れ、大気に排出される。燃料ガスの一部がコンバスタ４７を通して流れる時には酸化ガスの一部はコンバスタ４７を通して流れ、大気に排出される。

入側の燃料ガス配管３６、燃料ガス循環配管４３、入側の酸化ガス配管３７、入側の燃料ガスマニホールド３０、入側の酸化ガスマニホールド３１は、燃料電池のセル１９への反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の供給通路である、ガス供給通路１を構成する。
セル１９に供給される反応ガスは、セル１９のガス流路２７、２８を閉塞しないように、また、ガス流路２７、２８から電解質膜１１に侵入して電解質膜１１を損傷しないように、異物（不純物）が含まれている場合にはそれを除去される必要がある。
異物には、反応ガスがガス供給通路１を通過する間に配管からガスに混入した異物や、大気中に含まれていて大気から取り入れられた時に反応ガス中に混入している異物や、加湿器を通る時に生じた水滴、等を含む。また、異物には、質量をもつ、固体または液体の、粒子状の異物や、磁性体異物や、水溶性異物、イオン交換可能な成分を含む異物、これらの混合物、等を含む。

ガス中の異物を除去するのに、図１０の比較例に示すように、ガス通路１０１内にフィルタ１００を配置し、フィルタ１００を通すことにより、ガス中の異物を除去するようにすると、圧損が大となり、ポンプの消費電力が増大する。
これを避けるために、本発明では、燃料電池のガス供給通路１（図９の系統で太線の実戦で示した通路部分、ガスラインは燃料ガスラインでも、酸化ガスラインでもよい）のガス流れが当たる部位２の通路壁に、該通路壁部位のガス供給通路１の通路断面積を狭めないように、不純物除去装置３を設ける。
ガス供給通路１の通路断面積を狭めないように設ける態様には、たとえば、不純物除去装置３がガス供給通路１内に突出しない配置態様や、不純物除去装置３がガス供給通路１内に配置されない配置態様を含む。したがって、不純物除去装置３は、ガス供給通路１の壁位置かあるいはそれより外側位置に設けられる。

ガス流れが当たる部位２の通路壁は、たとえば、図１、図２、図３、図４の何れかに示した部位の壁である。
図１の例（実施例１）では、ガス流れが当たる部位２の通路壁は、ガス供給通路１の直角折り曲がり部の、上流からの流れに対向する流れ対向壁である。異物４が質量をもつ粒子状物である場合には、直角折れ曲がり部の上流から流れてきた流れの中の異物４は直角折れ曲がり部を通る時に慣性力により直進しようとして直角折れ曲がり部の、上流からの流れに対向する流れ対向壁に当たる。異物４がガス分子と同等程度の分子量しかもたない、分子またはイオンの場合は、慣性力は期待できないが、流れにのって、流れ対向壁に接触する。「接触」は「当たる」に含む（以下、同じ）。

図２の例（実施例２）では、ガス流れが当たる部位２の通路壁は、ガス供給通路１の湾曲曲がり部の曲がりの外側壁（曲がりの半径の大きい方の壁）の通路壁である。異物４が質量をもつ粒子状物である場合には、曲がり部の上流から流れてきた流れの中の異物４は曲がり部を通る時に慣性力により直進しようとして曲がり部の曲がりの外側壁に当たる。異物４がガス分子と同等程度の分子量しかもたない、分子またはイオンの場合は、慣性力は期待できないが、流れにのって、曲がりの外側壁に接触する。

図３の例（実施例３）では、ガス流れが当たる部位２の通路壁は、２スタックへの分流部の流れ対向壁である。１セルの電圧は約１ボルトであるから、４００ボルトを得るために、１スタックが２００セルのスタックを２スタック並列に配置して電気的に直列接続した場合、燃料ガス供給配管も、酸化ガス供給配管も、２スタックへの分流部をもつことになる。その場合には、ガス流れが当たる部位２の通路壁は、２スタックへの分流部の、上流からの流れに対向する流れ対向壁となる。異物４が質量をもつ粒子状物である場合には、分流部に上流から流れてきた流れの中の異物４は、慣性力によって直進しようとして、流れ対向壁に当たる。異物４がガス分子と同等程度の分子量しかもたない、分子またはイオンの場合は、慣性力は期待できないが、流れにのって、流れ対向壁に接触する。

図４の例（実施例４）では、ガス流れが当たる部位２の通路壁は、スタック２３内の入り側ガスマニホールド３０（または３１）の下流側の端部の流れ対向壁である。異物４が質量をもつ粒子状物である場合には、入り側ガスマニホールド３０内を流れてきた流れの中の異物４は慣性力により直進しようとして下流側の端部の流れ対向壁に当たる。異物４がガス分子と同等程度の分子量しかもたない、分子またはイオンの場合は、慣性力は期待できないが、流れにのって、流れ対向壁に接触する可能性が大である。

つぎに、本発明で用いることができる各種の不純物除去装置３を説明する。
不純物除去装置３は、多孔質材料（スポンジ状のもの、網状物、焼結合金、等）からなる異物除去フィルタからなるものであってもよい。異物４が固体または液体の粒子状物（水滴を含む）である場合には、多孔質材料のフィルタからなる不純物除去装置３によって、効果的に捕捉され、除去される。ガスの一部が多孔質材料のフィルタに入りそこで異物が捕捉され、クリーンとなったガスがガスの流れに戻る。ガス流路が狭められていないので圧損は増大しない。図１０の比較例のフィルタと異なる点は、図１０ではフィルタがガス通路中にあって圧損を増大させるが、本発明のフィルタは流路を狭めないので、圧損を増大させないことである。

不純物除去装置３は、ガス中の不純物を捕捉する液面を有する装置からなるものであってもよい。たとえば、容器に液体を入れておき、液面の上に、ガス配管の通路断面積より大きな通路断面積のスペースを設けておき、該スペースでガス配管の途中部分を構成するといった具合である。異物４が液溶性のもの（たとえば、潮風に含まれるＮａＣｌ分子）等の場合は、ガスが液面に接触して流れている間に、ガス中の異物４が効果的に液に溶け込み、ガスから除去される。異物４が亜硫酸ガスのような酸性物質の場合は、液をアルカリ性（たとえば、ＮａＯＨ水溶液を混合しておく）としておけば酸・塩基の中和反応を伴って効果的に異物が除去される。これは網状フィルタによる捕捉という概念ではなく、液への溶け込みや化学反応を伴う吸収による除去である。

不純物除去装置３は、磁石を含む装置であってもよい。異物４が、磁性体である場合、ガスが磁石に接触して流れている間に、ガス中の異物４は不純物除去装置３の磁石に吸着され、効果的にガスから除去される。これは網状フィルタによる捕捉という概念ではなく、磁石での吸着による除去である。

不純物除去装置３は、イオン交換樹脂を含む装置であってもよい。たとえば、容器にイオン交換樹脂（通常、寒天状の物質）を入れておき、イオン交換樹脂と容器との間に、ガス配管の通路断面積より大きな通路断面積のスペースを設けておき、該スペースでガス配管の途中部分を構成するといった具合である。ガス中の異物４が、イオン交換樹脂でイオン交換される成分を含むものである場合、ガスが不純物除去装置３のイオン交換樹脂に接触して流れている間に、ガス中の異物４のイオン交換可能成分がイオン交換されて除去される。たとえば、異物がＮａＯＨを含む物質である場合、Ｎａイオンがイオン交換樹脂によってＨイオンに交換されてガス中の異物であるＮａＯＨがＨ₂ Ｏになり、Ｎａイオンを取得したイオン交換樹脂は次第に劣化して膨張していくといった具合である。劣化したイオン交換樹脂は、取り替えられる。これは網状フィルタによる捕捉という概念ではなく、イオン交換によるガス中の異物の他物質への転換（による除去）である。

図５（実施例５）または図６（実施例６）に示すように、不純物除去装置３は、異物４を取り込んだ後異物４の流出を阻止する傾斜壁５を有していてもよい。不純物除去装置３が流れと対向する部分に設けられる場合（図１、図３、図４のような場合）、不純物除去装置３は、異物４の流出を阻止する傾斜壁５を有することが望ましい。傾斜壁５は複数枚設けられていてもよい。傾斜壁５の傾斜の方向は、流れと直交する方向よりも、流れの下流側に傾く傾斜である。流れは傾斜壁５に沿って下流側へと流れるが、逆流することは傾斜壁５によって阻止される。これによって、不純物除去装置３によって捕捉され、または吸収された異物４は、不純物除去装置３から流れの本流に流出することが抑制される。

つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池のガス供給系によれば、不純物除去装置３がガス供給通路１の通路断面積を狭めない（すなわち、不純物除去装置３がガス供給通路１内に突出したり、ガス供給通路１内に配置されたりしない、ガス供給通路２は不純物除去装置３を設けない時の通路断面積かそれより大の通路断面積となる）ので、ガス流れの圧損増大を招かずに、ガス（燃料ガスでも酸化ガスでもよい）中の異物４を除去または捕捉できる。

不純物除去装置３がガス供給通路１の「ガス流れが当たる部位２の通路壁」に設けられているので、異物４のガスの流れの中央部分に乗って流れて不純物除去装置３に当たらずに不純物除去装置３部位を通過してしまうという状態が起こりにくく、ガス中の異物４が不純物除去装置３に当たり（「接触」も「当たり」に含む）、ガス中の異物４が不純物除去装置３によって、効果的に除去される。
また、不純物除去装置３がガス供給通路１に設けられて、セル１９の上流側で異物４が除去されるので、セル１９内のガス流路２７、２８の閉塞や電解質膜１１の損傷が防止される。

不純物除去装置３の設置部位に異物の流出を抑制する傾斜壁５を設けた場合は、不純物除去装置３に捕捉された不純物の不純物除去装置３からガス供給通路１側への戻り（逆流）を抑制することができるので、不純物除去装置３が劣化したり、異物で飽和してきても、不純物除去装置３の除去物体または物質（網状物や液体やイオン交換樹脂）を比較的長期間取り替えずに使用することができ、経済的である。

本発明の燃料電池のガス供給系の、実施例１に係る、不純物除去装置近傍のガス供給通路の断面図である。 本発明の燃料電池のガス供給系の、実施例２に係る、不純物除去装置近傍のガス供給通路の断面図である。 本発明の燃料電池のガス供給系の、実施例３に係る、不純物除去装置近傍のガス供給通路の断面図である。 本発明の燃料電池のガス供給系の、実施例４に係る、不純物除去装置近傍のガス供給通路の断面図である。 本発明の燃料電池のガス供給系の、実施例５に係る、不純物除去装置近傍の断面図である。 本発明の燃料電池のガス供給系の、実施例６に係る、不純物除去装置近傍の断面図である。 本発明の燃料電池の全体側面図である。 図７の燃料電池の単セルの一部の断面図である。 本発明の燃料電池のガス系の系統図である。 比較例の燃料電池のガス供給系の不純物除去装置とその近傍の断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池のガス供給通路
２ ガス流れが当たる部位
３ 不純物除去装置
４ 異物
５ 傾斜壁
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 入側の冷媒マニホールド
３０ 入側の燃料ガスマニホールド
３１ 入側の酸化ガスマニホールド
３２ 出側の冷媒マニホールド
３３ 出側の燃料ガスマニホールド
３４ 出側の酸化ガスマニホールド
３５ 入側の冷媒配管
３６ 入側の燃料ガス配管
３７ 入側の酸化ガス配管
３８ 出側の冷媒配管
３９ 出側の燃料ガス配管
４０ 出側の酸化ガス配管
４１ 燃料ガスの循環配管
４２ 燃料ガスの供給源
４３ 燃料ガスの循環ポンプ
４４ 酸化ガス（エア）コンプレッサ ４５ エアクリーナ
４６ 加湿器
４７ コンバスタ

Claims (10)

1. 燃料電池のガス供給通路のガス流れが当たる部位の通路壁に、該通路壁部位のガス供給通路の通路断面積を狭めないように、不純物除去装置を設けた燃料電池のガス供給系。
2. 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、ガス供給通路の直角折り曲がり部の流れ対向壁である請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
3. 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、ガス供給通路の曲がり部の曲がりの外側壁である請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
4. 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、２スタックへの分流部の流れ対向壁である請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
5. 前記ガス流れが当たる部位の通路壁が、スタックの入り側ガスマニホールドの端部の流れ対向壁である請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
6. 前記不純物除去装置が多孔質材料からなる異物除去フィルタからなる請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
7. 前記不純物除去装置がガス中の不純物を捕捉する液面を有する装置からなる請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
8. 前記不純物除去装置が磁石からなる請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
9. 前記不純物除去装置がイオン交換樹脂からなる請求項１記載の燃料電池のガス供給系。
10. 前記不純物除去装置の設置部位に異物の流出を抑制する傾斜壁を設けた請求項１記載の燃料電池のガス供給系。

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